基于arm的数据采集系统——学位论文(编辑修改稿)

基于arm的数据采集系统——学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

N 3A 1 2 I N 2A 1 2 I N 1A 1 2 I N 01 0 u FG N D _ A D 1 21 0 3V D D 5G N D _ A D 1 2 图 环境参数采集电路 MAX197 的片选 、 读 、 写引脚分别 与 ARM 控制器 BANK2 的 nGCS nWE和 nOE 相连接。 而 MAX197 的使能信号引脚则与地址最低位 ADDR0 相连，因为数据的存储是 16 位的，即当 ADDR0 为 0 时先发送低 8 位数据，然后地址加 1，指向下一个存储区域，此时 ADDR0 为 1，再发送高 8位数据到此存储区域即可。 高压调节控制则是通过 DAC7731 完成，将希望加载到模块上的电压值通过界面输入，然后经过 DAC7731 进行数字量到模拟量的转化，最后将得到的值作为高压模块的控制输入信号。 嵌入式控制器总体设计 嵌入式数据采集控制器是整个系统的控制核心 ，它完成了对离子迁移谱仪相关参数的数据采集和控制，并通过人机界面进行交互。 它的总体设计如图 所示。 微控制器采用三星公司的 ARM7 系列的 S3C44B0X，负责对各单元电路进行控制；人机界面采用的是 LCD 和触摸屏； LCD 使用的是 320 240 象素的 256 色STN 屏，触摸屏使用的是四线电阻式触摸屏； FPGA 主要功能是完成主信号的采集 、 触发脉冲的产生以及步进电机的驱动脉冲；串口通信方式为 RS232，设计了两路串口，其中一路和 PC 机进行通信，在调试阶段打印调试信息；另外一路预留，通过扩展系统软件功能可以和 PC 机 进行通信，使系统接受 PC 机控制。 基于 ARM 的嵌入式数据采集与显示系统研制 微 处 理 器 （ S 3 C 4 4 B 0 X ）F P G AA / DF l a s h2 M BS D R A M3 2 M B串 口U A R T触 摸 屏液 晶 屏L C DD / AJ T A G数字I/O口 图 嵌入式控制器总体设计 本系统设计有两个 A/D 转换电路，一个采集主离子信号，另一个采集各个环境参量。 电磁阀电路使用 8 路数字 I/O 口中的 3 路，接近开关使能信号占用 1 路数字 I/O 口，而其他 4 路预留，用于功能扩展。 本章小结 本章介绍了整个系统的总体设计，对系统的电路结构分别从 离子迁移谱模块电路和 嵌入式控制系统电路两方面进行了详细的介绍。 同时给出了离子迁移谱模块和嵌入式控制模块之间的通信简图，使读者能更容易 地理解两模块之间的关系。 最后介绍了嵌入式控制器的总体设计，对各功能单元只是进行了简单的描述， 具体的实现细节将在后面的章节详细描述。 第三章 基于 ARM 的数据采集系统硬件设计 第三章 基于 ARM 的数据采集系统硬件设计 核心板电路设计 嵌入式数据采集系统按其执行功能分成两个部分：核心板和扩展板。 核心板完成系统最基本的功能，其硬件设计相对固定，只需要改变软件代码便可以实现不同的功能；扩展板和受控对象连接，针对不同的受控对象需要作相应的硬件改动。 这样的硬件设计有利于系统硬件的升级，控制不同对象的时候只需更改扩展板电路和系统软件。 S3C44B0X 微处理器 核心板的主控制芯片采用了 ARM系列的微控制器 S3C44B0X。 ARM 是 Advanced RISC Machines 的缩写，既可以认为是一家公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。 ARM 公司1991 年成立于英国剑桥，专门从事基于 RISC 技术芯片的设计和开发，主要出售ARM 技术知识产权 (Intelligence Patent,简称 IP)核的授权。 作为一家 IP 核供应商，ARM 公司本身不直接从事芯片生产，通过转让设计许可，由合作公司根据各自不同的应用领域，加入 适当的外围电路，形成自己的 ARM 微处理器芯片进入市场。 目前比较流行的 ARM 的 IP 核有 ARM7TDMI， StrongARM， ARM720T， ARM9TDMI，ARM922T, ARM940T, ARM946T, ARM966T， ARM10TDMI 等。 它们每秒可以处理 6000万至 亿条指令，不同的授权厂商提供了不同的外设 ,支持高端、中端、低端产品，可供选择的余地很大，极大的满足了各类应用方案的设计。 S3C44B0X 是 Samsung 公司推出的 16/32 位采用了 ARM7TDMI 核的 处理器，它为嵌入式系统和一般 类型的应用提供了高性价比的微控制器解决方案。 为了降低系统成本和减少外围器件， S3C44B0X提供了丰富的内置部件，包括 :8KB Cache、内部 SRAM, LCD 控制器、带自动握手的 2 通道 UART、 4通道 DMA、外部存储器控制器 (片选逻辑， FP/ EDO/ SDRAM)、带有 PWM 功能的 5 通道定时器、 71个通用 IO 口、实时时钟 (RTC)、 8通道 10 位 ADC、 8个外部中断源、 I2C 总线控制器、 I2S 总线控制器、同步 SIO 接口和 PLL 倍频器等。 此外， S3C44B0X 还采用基于 ARM 的嵌入式数据采集与显示系统研制 了一种新的总线结构，即 SAMBA II(三星 ARM CPU 嵌入式微处理器总线结构 )。 S3C44B0X 通过提供全面的、通用的片上外设，大大减少了系统电路中除处理器以外的元器件配置， 从而最小化了系统的成本 [3]。 S3C44B0X 存储系统 在系统复位的时候， S3C44B0X的程序（ PC） 指针被设置成 0，使程序跳转到0x0000_0000处开始执行。 该地址对应的是 Bank0， Bank0是与 ROM相连接的。 ROM中存储有系统的初始化程序，负责配置处理系统的结构、工作模式以及自动检测嵌入式控制器的各个硬件是否工作正常。 然后系统开始运行。 S3C44B0X复位后的存储器映射图如图。 图 S3C44B0X复位后的存储器映射 S3C44B0X的存储器控制系统具有以下特点：  支持数据存储的大 /小端选择（通过外部引脚实现）；  地址空间：具有 8个 Bank，每个 Bank可达 32MB，总共可达 256MB；  每个 Bank的数据宽度均可改变（ 8位 /16位 /32位 ）；  8个 Bank中， Bank0～ Bank5支持 ROM和 SRAM， Bank6和 Bank7支持 ROM、SRAM和 FP/EDO/SDRAM等； ROM 接口电路 [4] S3C44B0X 内部没有 ROM，所以扩展了一块 FLASH 存储器，用于在系统掉第三章 基于 ARM 的数据采集系统硬件设计 电以后保存系统的代码和数据。 ROM 采用的 FLASH 芯片是 SST 公司的SST39VF1601，容量为 16Mbit( 16)。 其数据总线和地址总线和 S3C44B0X 的数据和地址总线相连，读、写和 S3C44B0X 的读、写引脚相连。 需要注意的是数据宽度不同时，地址总线的连接也不同，在设计时要详细参考 S3C44B0X 的数据手册。 由于 SST39VF1601 作为系统的 ROM 使用，它包含了系统的启动代码，系统复位以后 PC 指针需要指向 SST39VF1601 中起始的程 序代码，所以必须将SST39VF1601 的片选信号和 S3C44B0X 的 nGCS0 相连，以使 SST39VF1601 映射到系统存储器中的 Bank0，起始地址为 0x0000_0000，接口电路如图 所示。 图 ROM 存储器接口电路 在读取 Bank0 中的数据之前需要确定其数据宽度，这是由 S3C44B0X 的OM[1:0]引脚在外部硬件上确定。 当 OM1=0， OM0=1，则 Bank0 的数据宽度为 16位。 本次设计选择的 Bank0 的数据宽度即为 16 位，因此 SST39VF1601 的 47 引 脚需接高电平，表示数据宽度为 16 位。 基于 ARM 的嵌入式数据采集与显示系统研制 RAM 接口电路 RAM 作为整个系统的内存，需保证有足够大的空间。 本设计中不但数据要保存在 RAM 中，而且当系统启动时还要将整个 uC/OSII 操作系统从 FLASH 中搬运到 RAM 里运行，主要是因为 RAM 的存取速度比 FLASH 快的多。 所以系统初始化后，都将保存在 ROM 中的代码和数据装载入 RAM 进行执行。 S3C44B0X 集成了 RAM 的控制器，支持多种不同类型的 RAM。 本系统采用的 RAM 为 Hynix 的HY57V561620，为 268,435,456 bit (4Banks 4M 16Bit)的 CMOS SDRAM。 和 ROM 一样，数据宽度不同时需要注意地址总线的连接方式。 在本设计中采用的是 16 位数据总线的接口方式，并将 HY57V561620 映射到 S3C44B0X 存储器系统中的 Bank6 中，字节地址空间为 0x0c00_0000~0x0c7f_ffff，接口电路如图 所示。 图 RAM 存储器接口电路 由于内部有 4 个 Bank，所以用 HY57V561620 的 20， 21 引脚来标识对哪个Bank 进行操作。 因为 HY57V561620 的存储配置为 (4M 16 4B) 1，根据第三章 基于 ARM 的数据采集系统硬件设计 S3C44B0X 的数据手册规定， HY57V561620 的 BA0、 BA1 引脚应该与 S3C44B0X的地址线 ADDR2 ADDR24 相连接。 系统电源设计 系统的电源设计对于整个系统来说至关重要，好的设计可以使整个系统运行稳定。 相反，如果设计时考虑不周到，整个电源系统可能会受到干扰甚至不能正常工作，系统电源设计电路如图 所示。 图 系统电源 电路 S3C44B0X的内核工作电压为 ， I/O口工作电压为。 工作所需的电源由 DC－ DC转换器提供。 采用的电源器件 为 AMS公司的 AMS1117，其产品系列可以提供 ，输出电流可以达到 1A。 图 5V到 5V到 ， VDD5为来自开关电源的 +5V直流电压，在其进入 PCB板的地方采用了两个 22uF的电解电容进行去耦。 在 AMS1117的输入和输出端采用100uF， 47uF的 钽 电容和一个 104电容用以消除噪声的影响。 晶振及复位电路 S3C44B0X 芯片需要两个晶振，一个 给内核提供时钟，一个给 RTC（实时时钟）提供时钟，二者均采用无源晶振其值分别为 10MHz 和 ，如图 所示。 其中 Y1 为内核时钟晶振， Y2 为 RTC 时钟晶振。 S3C44B0X 中有一个PLL(PHASELOCKEDLOOP)锁相环电路，可以将时钟倍频，倍频后最高工作频率可以达到 66MHz。 具体使用晶振时钟还是外部时钟，由 S3C44B0X 的 OM[3:2]引脚在外部硬件上确定。 当 OM3=0， OM2=0，则使用的是外部晶振时钟，此时锁相环使能。 基于 ARM 的嵌入式数据采集与显示系统研制 图 系统时钟 电路 系 统复位电路实现系统上电复位和用户按键复位的功能。 采用了较为简单的RC 复位电路，如图 所示。 在系统上电以后电源电流流经 R1 给 C9 充电。 在充电过程中， 74HC04 的 1 端未达到阈值电平前的这段时间内， nRESET 为低电平，系统复位。 一段时间后 74HC04 的 1 端充电到 ， nRESET 为高电平进入工作状态。 S3C44B0X 要求系统复位时 nRESET 保持至少四个 MCLK 周期。 两级非门电路用于按钮去抖动和波形整形，所以要合理选择 R1 和 C9 的值，经使用证明复位电路的工作是可靠的。 图 系统复 位 电路 JTAG 接口电路 JTAG 接口电路用来连接仿真器进行代码的实时调试和程序的烧写，本设计中JTAG 接口 主要是配合简易仿真板调试程序，以及完成最底层的固件程序的烧写，具体电路如图 所示。 根据 S3C44B0X 的数据手册规定， nTRST、 TMS、 TCK和 TDI 引脚都必须接一个 10K 的上拉电阻。 第三章 基于 ARM 的数据采集系统硬件设计 图 JTAG 接口 电路 触摸屏接口电路 [5][6] 电阻式触摸屏是一种传感器，它将矩形区域中触摸点 (X,Y)的物理位置转换为代表 X 坐标和 Y 坐标的电压。 这种屏幕可以用四线、五线 、七线或八线来产生屏幕偏置电压，同时读回触摸点的电压。 本文使用的触摸屏为四线电阻式触摸屏，它包括上下叠合的两个透明层，这两个透明层由具有相同表面电阻的透明阻性材料组成。 其中一层在左右边缘各有一条垂直总线，另一层在底部和顶部各有一条水平总线，见图。 为了在 X 方向进行测量，将左侧总线偏置为 0，右侧总线偏置为 VREF；将底部或顶部总线连接到 ADC（ A/D 转换器），当 X 层和 Y 层由于触摸屏被按下而接触时即可作一次测量。 在 Y 方向的测量和 X 方向原理相同。 Y+YX+XX层 Y层 图 触。